Transcript Spectru imprastiat

COMPATIBILITATE
ELECTROMAGNETICĂ
Spectru împrăştiat
Ogruţan Petre, nov. 2011
Introducere
Sinusoida este descrisă de ecuaţia:
Forma sinusoidală este des întâlnită în diverse domenii ale cunoaşterii umane, de exemplu în
matematică, fizică, muzică, inginerie electrică etc., ca urmare a faptului că această formă este
comună în natură. Variaţii sinusoidale au lumina, sunetul, mişcarea valurilor, undele
electromagnetice etc. Chiar şi variaţia temperaturii într-o zi are aproximativ o variaţie
sinusoidală.
În evoluţia firească a societăţii omeneşti un pas important a fost apariţia teoriei calculatoarelor
digitale care a fost iniţiată prin lucrările lui Alan Touring (1936) care a definit structura
calculatorului digital şi a algoritmului de execuţie a unui program de pe o bandă perforată şi a
lui John Von Neumann care a conceput structura unui calculator pe bază de magistrale.
Transmisia digitală a dus la apariţia şi răspândirea semnalelor cu variaţie dreptunghiulară, o
formă diferită faţă de cea sinusoidală.
În 1822 Joseph Fourier a descoperit că matematic, orice formă periodică poate fi descompusă în
componente sinusoidale, numite armonici. Aceste armonici care pot fi reprezentate în domeniul
frecvenţă sub forma unor linii numite linii spectrale încep de la o frecvenţă egală cu frecvenţa
semnalului descompus (frecvenţa fundamentală) şi se continuă până la o anumită frecvenţă.
Domeniul în care există aceste componente spectrale se numeşte domeniu de frecvenţă al
semnalului sau spectrul de frecvenţă.
Spectru împrăştiat
Un semnal dreptunghiular cu frecvenţă fixă are un spectru care conţine o armonică importantă.
Prin variaţia frecvenţei acestui semnal apar mai multe armonici, cu amplitudini mai mici.
Acest lucru este important pentru scăderea EMI.
Simularea MATLAB
Semnalul dreptunghiular nemodulat are forma în timp şi spectrul de frecvenţe date în figura:
Simularea MATLAB
Forma semnalului modulator este cea triunghiulară. Se generează un semnal triunghiular cu
funcţia SAWTOOTH. Cu funcţia SQUARE se generează un semnal dreptunghiular şi se
realizează modularea acestui semnal. Se calculează spectrul de frecvenţe cu funcţia FFT
şi se reprezintă grafic, figura:
Simularea MATLAB
O altă variantă de modulare este realizată cu un semnal modulator cu frecvenţa variabilă.
Funcţia care generează un astfel de semnal este funcţia CHIRP, figura:
Se observă că şi modularea cu frecvenţă variabilă (variaţia maximă 10% din frecvenţă) are
ca efect micşorarea spectrului, mai ales a armonicilor de ordin superior.
Simularea MATLAB
Este interesant de remarcat ce se întâmplă la extrem, adică la modularea frecvenţei cu un semnal
aleator, în condiţiile în care variaţia aleatoare nu este un procent oarecare (sub 10%) din
frecvenţă. Acest caz în care frecvenţa variază aleator nu poate fi folosit în practică pentru că
semnalul dreptunghiular îşi pierde funcţionalitatea. Pentru generarea numerelor aleatoare se
foloseşte funcţia RANDOM, în care parametrul EXP specifică distribuţia folosită. Se poate
observa că în acest caz spectrul este cel mai redus, armonicile superioare fiind foarte mici.
Modularea tactului la microcontrollere
Consumul mic de energie şi generarea unui spectru redus de perturbaţii sunt legate de
generarea şi folosirea tactului. Pentru teste a fost aleasa familia de microcontrollere
Fujitsu pentru ca unele familii sunt dedicate aplicatiilor auto si au astfel implementat
modulatorul de tact.
Modulaţia tactului are rolul de a reduce interferenţele electromagnetice (EMI) prin
împrăştierea spectrului semnalului de tact. Metoda este implementată la MC pe 32 de
biţi şi la cele pe 16 biţi. Modulaţia se aplică tactului generat de bucla PLL, astfel încât
unele interfeţe care generează intervale de timp precise (timer de bază, Watchdog sau
CAN ) nu pot avea ca tact tactul modulat. Frecvenţa dată de tactul PLL este F0 iar
spectrul are un vârf corespunzător acestei frecvenţe. Modularea tactului înseamnă
variaţia frecvenţei /fazei între 2 limite, ceea ce micşorează vârful spectrului.
Tactul de la bucla PLL poate fi modulat în 2 feluri:
o
modulaţie în fază, semnalul modulator fiind un semnal triunghiular
o
modulaţie în frecvenţă, semnalul modulator fiind un semnal pseudo aleator.
Modularea tactului la microcontrollere
Modulatorul poate fi validat sau invalidat cu un registru de comandă, se poate alege tipul de
modulaţie şi se pot programa limitele de variaţie ale frecvenţei sau fazei. În general
comportarea cea mai bună din punct de vedere EMI se obţine la variaţia maximă a
frecvenţei /fazei tactului, dar aceasta nu este o regulă şi în cele mai multe cazuri este
nevoie de încercări experimentale.
La modelul MB90350 pe 16 biti tactul de la bucla PLL este modulat cu un semnal triunghiular.
Comanda modulatorului se realizează cu registrul CMCR (Clock Modulator Control
Register) care validează modularea. Lăţimea impulsului de tact modulat variază cu +/0,8ns, ceea ce înseamnă la frecvenţa maximă a tactului PLL de 24MHz o frecvenţă maximă
a tactului maşină modulat de 25,45MHz. Interfeţele care nu au tact PLL (Timerul de bază,
Watchdog Timer) nu pot avea ca tact tactul modulat. De asemenea când se utilizează
interfaţa CAN nu se poate folosi tactul modulat.
La microcontrollerele pe 32 de biti semnalul de tact generat de PLL este modulat cu un semnal
pseudoaleator. La tactul modulat se poate modifica gradul de modulare şi rezoluţia de
variaţie a frecvenţei între Fmin şi Fmax. Se pot programa 3 grade de rezoluţie.
Modulatorul poate lucra cu tact între 16MHz şi 48MHz, de aceea circuitul de modulare
trebuie calibrat. Calibrarea poate fi lansată hardware sau software. Semnalul de tact poate
fi observat în exterior la pinul MONCLK.
Date de catalog
În figura de mai jos sunt date spectrele generate în gama de frecvenţe 150kHz-500MHz
furnizate de Fujitsu în catalog pentru procesoarele de 32 de biţi. Se observă că prin
modularea tactului se obţine un spectru cu armonici superioare de amplitudini mai mici.
Există o bună corespondenţă între datele de catalog şi cele simulate.
Măsurarea spectrului generat prin
modularea tactului
Sistemul de testare prezentat în figura 6 a fost format dintr-un sistem de dezvoltare cu
microcontroller Fujitsu MB91360 şi un analizor spectral. Programarea
microcontrollerului a permis alegerea a trei frecvenţe de tact (16MHz, 32MHz and
48MHz) şi activarea modulaţiei tactului.
Rezultate experimentale- tact
16MHz nemodulat (a), 16MHz modulat (b), 32MHz nemodulat (c), 32MHz modulat
Rezultate experimentale- spectru
16MHz nemodulat, 16MHz modulat
Rezultate experimentale- spectru
48MHz modulat, 48MHz nemodulat
Rezultate experimentale- spectru
32MHz nemodulat, 32MHz modulat
Concluzii
Numărul echipamentelor electronice se măreşte continuu şi se caută permanent metode de a micşora
interferenţa electromagnetică dintre acestea. Una dintre metodele care incepe să se aplice din ce
în ce mai mult în ultimii ani este modulaţia tactului. Modulaţia tactului se aplică atât la
procesoare cât şi la microcontrollere, şi începe să se aplice şi la circuitele specializate pentru
transferul datelor cu un dispozitiv periferic [3], [4], [5]. Tendinţa actuală este de a se implementa
modularea tactului în cât mai multe aplicaţii dar şi găsirea de noi metode de modulare [6].
Domeniul auto este unul dintre domeniile în care modularea tactului se impune ca o necesitate,
standardele de emisii de radiaţii electromagnetice fiind restrictive. Constructorii de
microcontrollere pentru domeniul auto implementează în noile familii modularea tactului..
3.
4.
5.
6.
Hengstler, S.; Kasilingam, D.P.; Costa, A.H, 2002.; A novel chirp modulation spread spectrum technique for multiple access,
Spread Spectrum Techniques and Applications, 2002 IEEE Seventh International Symposium on, Volume 1, Page(s):73 - 77
vol.1
Wei-Ta Chen; Jen-Chien Hsu; Hong-Wen Lune; Chau-chin Su, 2005; A spread spectrum clock generator for SATA-II, Circuits
and Systems, ISCAS 2005. IEEE International Symposium on, 23-26 May 2005 Page(s):2643 - 2646 Vol. 3
Jaehong Ko; Seungjung Lee; Doyoon Kim; Kijoon Kim; Kye-Eon Chang; 2007, Spread spectrum clock generator for reducing
Electro-Magnetic Interference (EMI) noise in LCD driver IC, Circuits and Systems, MWSCAS 2007. 50th Midwest Symposium
on 5-8 Aug. 2007 Page(s):1106 - 1109
Jonghoon Kim; Joungho Kim; Piljung Jun, 2002; Dithered timing spread spectrum clock generation for reduction of
electromagnetic radiated emission from high-speed digital system, Electromagnetic Compatibility, EMC 2002. IEEE
International Symposium on, Volume 1, 19-23 Aug. 2002 Page(s):413 - 418 vol.1
Exemplu: Oscilator cu spectru împrăştiat
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Spread-Spectrum Clock Output
from 130kHz to 66.6MHz
-40°C to +125°C Operating
Temperature Range
±1.75% Accuracy Across
Temperature and Voltage
Factory Trimmed
Center-Dithered (DS1091LUA) or
Down-Dithered (DS1091LUB)
Spread-Spectrum Output
Pin-Selectable Center-Dither
Magnitude of 0%, ±1%, ±2%, or
±4%
Pin-Selectable Down-Dither
Magnitude of 0%, -2%, -4%, or 8%
Pin-Selectable Dither Rate
3.0V to 3.6V Supply Operation